2024-08-06
今天小編和大家分享一篇2024年4月發表在Cell （IF=66.85）的文章" Cellular architecture of evolving neuroinflammatory lesions and multiple sclerosis pathology"。這篇文章通過原位測序（ISS、10x Xenium）技術，揭示了多發性硬化癥 （MS）背后的復雜細胞動力學。
- part 01 - 研究背景 多發性硬化癥 （MS） 是一種以多灶性病變和陰燃病變為特征的神經系統疾病。其主要癥狀包括活動能力和認知受損、疲勞、麻木、視力問題、抑郁和協調性差。在這種疾病中，主要體現由炎癥、神經膠質增生、脫髓鞘和/或神經變性定義的損傷，影響中樞神經系統(CNS)的白質和灰質(WM和GM)。患者身體的免疫細胞攻擊少突膠質細胞，而該細胞負責產生髓鞘，髓鞘包裹神經軸突的外殼，缺少髓鞘會導致神經細胞之間的信號無法正常快速傳遞，從而導致感覺減退和缺乏協調性等癥狀。盡管單細胞分析提供了對細胞病理學的見解，但對多發性硬化癥背后的不斷發展的細胞過程仍然知之甚少。
- part 02 - 分析方法 構建EAE小鼠模型以模擬脊髓病變，然后在不同階段（癥狀前、癥狀初現、疾病高峰、晚期EAE）收集脊髓和大腦樣本進行ISS原位測序；人頸部脊髓組織：兩個對照(CTRL1和CTRL2)和四個進行性MS樣本，帶有病理學注釋的活性(MSa1和MSa2)或非活性病變(MSi1和MSi2)，共6例樣本進行266個基因的人類大腦Panel 的xenium原位基因表達檢測。 1、EAE的時空細胞圖譜 首先作者構建EAE小鼠模型以模擬脊髓病變，然后在不同階段（癥狀前、癥狀初現、疾病高峰、晚期EAE）收集脊髓和大腦樣本。之后，通過原位測序分析239個基因。利用計算方法將空間數據與單細胞RNA測序數據相結合，識別細胞類型。應用分層聚類策略，有效避免偏差，精確描繪和量化細胞分布。 通過使用ISS，檢測了592，421個細胞(270，878個來自脊髓，321，543個來自大腦)。在聚類之后，鑒定了41個獨特的群體，包括23個主要的穩態和DA中樞神經系統駐留細胞和免疫細胞類型。在對照樣本中，作者在空間上分辨了所有主要的中樞神經系統穩態群體，并發現有些獨特的細胞亞群表現出對特定解剖區域的空間偏好，例如大腦和脊髓的GM和WM、皮質層、腦膜和背根神經節(DRG)等。 2、炎癥細胞環境的時間和跨區域圖闡明了EAE的演變 作者對小鼠的脊髓在EAE不同階段進行了免疫細胞浸潤的定位和定量分析。結果顯示，在疾病早期，免疫細胞開始在脊髓的WM空間增多，并在疾病高峰期擴散至整個脊髓實質。在EAE晚期，炎癥部分消退，免疫浸潤區域被神經膠質細胞填充。此外，盡管大腦通常不發展明顯的病變，但在EAE峰值時，大腦內側胼胝體和腦室附近區域觀察到免疫細胞浸潤，暗示炎癥可能通過腦室和腦膜進入大腦。在疾病進展過程中，頸部區域的病變表現出異質性，可能反映了急性炎癥和慢性化病變之間的狀態。MS的不同臨床亞型在脊髓病變分布上也存在差異，其中背側柱常受累，而原發性和繼發性進展型MS患者更易在外側束出現病變。EAE模型中的免疫細胞浸潤傾向于影響脊髓的特定區域，這些區域在疾病高峰和晚期炎癥解決效率較低，可能導致病變的慢性化。 3、細胞組成驅動的病理區域識別 細胞組成驅動的跨區域和疾病時間點病理區室的鑒定通常通過核密度的增加、小膠質細胞的富集、巨噬細胞的免疫染色和髓磷脂的損失來評估。這里作者針對不同炎癥環境形成的綜合細胞景觀來分析EAE病理，通過鄰域分析對23種主要細胞類型進行分析，并檢查了它們在中樞神經系統中的分布。這種方法類似于利用空間數據來識別神經解剖區室。研究中定義了五個不同的病理區室，這些區室標志著EAE病變從早期到復雜和解決的各個階段。無癥狀小鼠雖受免疫浸潤影響，但未定義任何病理區室。而早期癥狀和高峰EAE小鼠的脊髓顯示出三個獨特的病理區室，與EAE晚期的區室不同。此外，還識別出響應于EAE腦中免疫浸潤的特定胼胝體病理區室。并且發現膠質細胞和血管細胞是腦免疫浸潤室（bIIC）的標志。 4、EAE病變以離心方式傳播 通過研究EAE感染脊髓內病理區室的細胞組成。作者發現在峰值EAE的腰椎樣本中，病變顯示出最復雜的結構，包括三個獨特的部分，其認為這些病變已經完全發展，并以此為基礎將這些區域分為(1)病變核心區域(LCC)，(2)“病變邊緣”區域(LRC)，和(3)“病變周圍”區域(PLC)。并且通過分析發現復雜病變（病變III期）多見于腰椎EAE脊髓峰值，而輕度EAE及顱腦區病變較簡單，分病變I期（PLC）和病變II期（LRC+PLC）。數據顯示，PLC在輕中度炎癥時獨立出現（病變I期），隨炎癥加劇向LRC及LCC過渡。 5、DA-神經膠質標記全局、損傷獨立病理學 作者發現DA-神經膠質細胞不僅是病理標志，也促進GM與WM變化，并且發現DA-神經膠質細胞的轉錄譜隨時間和跨病理區室而變化，這表明不同條件下DA-神經膠質細胞生物學過程的差異。 6、人類頸脊髓的空間細胞圖闡明了活動期和非活動期MS病變的細胞病理學 作者將ISS與Xenium原位平臺應用于6個人類死后頸椎脊髓橫截面樣本--兩個對照(CTRL1和CTRL2)和四個進行性MS樣本，帶有病理學注釋的活性(MSa1和MSa2)或非活性病變(MSi1和MSi2)。使用了包含266個基因的Xenium人腦基因Panel，針對與生理和病理條件相關的細胞類型和狀態 ，共鑒定了 660,801 個細胞（MS 中為 465,294 個，對照中為 195,507 個），平均表達145±104個轉錄本和47±18個基因。鑒定了27個細胞群，包括主要穩態和疾病相關膠質細胞（OLGs；Astros）、髓系細胞（MP/MiGl、巨噬細胞和小膠質細胞）、血管細胞和血管巨噬細胞（vascular_MP）、室管膜細胞、內皮細胞（Endo）、T細胞、雪旺細胞和神經元。并且發現了多種細胞類型表現出預期的空間偏好。人脊髓樣本中還鑒定了WM或GM富集的特異性Astro和少突膠質細胞群體。這些說明了GM-和WM-特異性環境線索誘導不同的人類塑型狀態，或者這些區域內的神經元需要特定的少突膠質細胞支持。 7、將活動期人類多發性硬化病變解卷積為新的亞區室揭示了WM病理學中的GM少突膠質細胞 作者使用27個細胞群來繪制已知的解剖結構及病理區室，包括中央管（CCa）、背根神經節（DRG）、灰質（GM）和白質（WM），以及與血管和腦膜結構對齊的區域。在MS樣本MSa1和MSa2中，觀察到不同病變區域的細胞組成差異顯著。MSa2中病變2.2富含血管細胞、非DA-Astros和MP/MiGl_2，而GM和WM的變化未通過免疫組織學鑒定。樣品 MSa1 在整個過程中都發生了變化，GM病理區室中MP/MiGl_2和OLG_GM比例較高，且顯示分散的WM病變和血管受影響區室，T細胞增多。特別地，MSa1中的ac_WM_lesion_A病變由多種髓樣細胞、星狀細胞和少突膠質細胞組成，其中MP/MiGl_1表達反應性小膠質細胞標志物，而MP/MiGl_2表達更高水平的CX3CR1、GPR34、ITGAX和FCGR1A。通過比較兩個活性樣本的健康和受MS影響的WM時，發現OLG_GMs在幾個受疾病影響的區域內更豐富。這些數據可能表明，GM少突膠質細胞的突出作用。 9、DA-膠質細胞在人類MS脊髓中的分布類似于它們在小鼠EAE模型中的分布 研究MS背景下的DA型星形膠質細胞（DA-Astro）和少突膠質細胞狀態。基于基因表達，作者將星形膠質細胞細分為穩態型、中間型和DA型。中間型星形膠質細胞表達較低水平的SERPINA3，并且不完全表達DA型星形膠質細胞的標記物，包括HILPDA。穩態型星形膠質細胞在對照組中占主導地位，但在活動性病變中進一步富集。在MSa1中，中間型星形膠質細胞廣泛分布，而在非活動樣本中，則富含DA型星形膠質細胞，這可能是由于星形膠質細胞增生所致。因此，人類 Astros 可能會在局部獲得 DA 轉錄譜，并且獨立于 MS 病理學。隨著MS的發展和進展，它們最終會變得廣泛，在活動性病灶中和在非活動性病灶中進一步豐富。這些分布與 SERPINA3表達相關，因此可以將其作為人類和小鼠MS病理學的標志物引入。
- part 03 - 總 結 作者通過對小鼠EAE中疾病進展的時間和區域速率進行建模來研究 MS 的細胞動力學。通過使用ISS進行單細胞空間表達譜分析，作者注釋了疾病鄰域并發現了活動病變的離心進化。通過使用Xenium技術對人類MS脊髓樣本進行研究，確認了DA-glia在人類MS脊髓中的分布類與小鼠EAE模型中的狀態及其分布相似。本研究通過建立單細胞空間分辨率的小鼠和人類MS神經病理學的空間圖譜，揭示了MS背后的復雜細胞動力學。
